[ 논문 ] 한국태양에너지학회논문집 Journal of the Korean Solar Energy Society Vol. 27, No. 2, 2007 주거용건물의태양광발전시스템투자회수기간산정 김명철 *, 주재욱 *, 서간호 *, 이경희 **, 최정민 *** * 창원대학교대학원 (steelks89@hanmail.net), ** 부산대학교산업건축학과 (samlgh@pusan.ac.kr), *** 창원대학교건축학부 (jmchoi@cwnu.ac.kr) The Assessment of Payback Period for the Photovoltaic System in Residential Building Kim, Myung-Chul*, Ju, Jai-Wook*, Seo, Gan-Ho*, Lee, Kyung-Hee**, Choi, Jeong-Min*** *Graduate School of Architecture, Changwon National University(steelks89@hanmail.net), **Dept. of Architectural Engineering, Pusan National University(samlgh@pusan.ac.kr), ***School of Architecture, Changwon National University(jmchoi@cwnu.ac.kr) Abstract The demand for solar electric power systems, namely, photovoltaic system has grown steadily in our country over the last 10 years. However, the main obstacle against using photovoltaic system is the financial viability especially concerned with initial cost. The other factors affecting the economic viability of photovoltaic system are cost of electric energy, amount of electric energy produced by the photovoltaic system, discount rate, energy cost escalation rate, inflation rate, project life, and so on. Therefore, this thesis studies on the effect of various relating factors on economic evaluation of photovoltaic system in residential building by calculating payback period. Keywords : 태양광발전시스템 (Photovoltaic system), 투자회수기간 (Payback Period), 경제성평가 (Economic evaluation), 초기투자비 (Initial Cost) 기호설명 B(i) : 생산된전력으로인한전기절감수입 GHG(i) : 연간온실가스배출저감에따른수입 C o : 초기투자비 OM(i) : 연간유지보수 (O&M) 비용 r : 할인율 (%) n : 경제성평가예상기간 ( 연 ) 접수일자 : 2007 년 4 월 30 일, 심사완료일자 :2007 년 6 월 7 일교신저자 : 최정민 (jmchoi@cwnu.ac.kr) Journal of the korean Solar Energy Society Vol. 27, No. 2, 2007 87
김명철외 / 주거용건물의태양광발전시스템투자회수기간산정 1. 서론 현재인류는주로석유, 석탄, 원자력, 천연가스 등에서대부분의에너지를얻고있다. 머지않은미 래에는고갈될것으로예측되고있으며, 이러한화 석 원자력에너지원은심각한대기오염의주범으로 지목받고있는실정이다. 이에세계국가들은 1997 년교토의정서 (Kyoto Protocol) 등의기후변화협 약을통해온실가스배출량감소목표를규정하였고, 국제배출권거래 (International Emission Trading), 공동이행 (Joint Implementation), 청정개발체제 (Clean Development Mechanism) 등을통해의무이행을하도록규제하기시작하였으며, 우리나라에서도 대체에너지개발보급및이용보급촉진법. 1) 등관련법제정등을통하여대체에너지사업을적극지원하고있는상황이다. 국내의경우이상의대체에너지사업가운데주거용건물에서의태양광발전시스템설치에대한관심이점차높아지고있으며, 정부에서도신재생에너지중주택용태양광발전시스템보급을위해오는 2012년까지총 10만호의태양광설치를목표로설정한바있다. 그런데이러한태양광발전시스템의보급에가장큰걸림돌이되는것이경제성이다. 태양광발전시스템의경제성은시스템설치시의초기투자비뿐만이아니라태양광발전시스템이설치되는해당지역에서연간발전된전력량과발전된전력판매단가에의해크게좌우되며, 이외에도이러한경제성평가를위해적용되는할인율, 물가상승률, 전력판매단가상승률등제요인에따라서 1) 제 2 조에서대체에너지는석유, 석탄, 원자력또는천연가스가아닌에너지로태양에너지 ( 태양열 태양광 ), 풍력, 소수력, 연료전지, 석탄을액화 가스화한에너지및중질산사유를가스화한에너지, 해양에너지, 폐기물에너지, 지열에너지, 수소에너지, 그밖에대통령령이정하는에너지라고정의하고있고, 이중에서태양열에너지, 태양광에너지, 바이오에너지, 풍력, 소수력, 해양에너지, 폐기물에너지, 지열에너지등의 8 개분야를재생에너지로, 그리고연료전지, 석탄액화 가스화, 수소에너지등의 3 개분야를신에너지로분류하고있다. 도영향을받게된다. 이에본연구에서는주거용건물을대상으로경제성평가와관련한제요인중초기투자비, 연간발전된전력량, 발전된전력판매단가를중심으로태양광발전시스템의투자회수기간과관련한경제성분석을검토함으로써태양광발전시스템선정시참고할수있는기초자료를제시하고자한다. 2. 태양광발전시스템에대한예비적고찰 주거용건물의태양광발전시스템에대한경제제성평가를위해태양광발전시스템의유형및경제성평가도구에대해살펴보았으며, 각각의내용은다음과같다. 2.1 태양광발전시스템의적용유형태양광발전시스템은적용유형은크게기존전력망과의연결여부에따라계통연계형시스템 (on-grid) 과독립형시스템 (off-gird) 으로분류할수있으며 2), 여기에개발도상국에서주로사용되는워터펌핑형 (Water-pumping) 타입을추가시킬수있다. 태양광발전시스템은보급초기에는산간, 벽지등전력망설치가어려운지역에독립형시스템이많이보급되었으나, 근래에는전력판매회사와협력, 기존전력망과연계시킨계통연계형시스템의수요가늘어나고있는추세이다. 태양광발전시스템의구성요소로는표 1과같이태양전지셀 (Cell) 이최소단위가되며, 이들을직렬또는직렬외에일부병렬과조합하여연결한모듈 (Module), 모듈이여러개모인패널 (Panel), 실용적인출력을얻기위해확장된어레이 (Array) 로구성된다. 여기에태양전지에서발생한직류의전기를교류로바꾸기위한인버터와발전된전력을저장하는축전지 (Battery), 발전된전력을제 2) 계통연계형시스템은 Central-grid 와 Isolated-grid 시스템으로, 독립형시스템은 Stand-alone( 축전지포함 ) 과 Hybrid( 축전지와발전기포함 ) 시스템으로세분할수있다. 88 한국태양에너지학회논문집 Vol. 27, No. 2, 2007
어하는전력제어장치 (Charge controller) 등이 추가된다. 구성요소내용 - PV를구성하는최소단위로써태양광에셀노출되면전기를발생하는얇은정방형의반도체 태양전지 모듈과패널 어레이 인버터축전지전력제어장치 표 1. 태양광발전시스템구성요소 - 태양전지셀을여러장직렬또는직렬외에일부병렬과조합하여연결하여규격화한것이모듈이며, 모듈이모이면패널이됨 - 여러개의모듈을소정의전압, 출력을얻을수있도록만들어진것 - 직류전기를교류전기로변환 - 저장장치 - 발전된전력을일정하게흘러들어가도록제어하는장치 2.2 평가도구의선정태양광발전시스템의경제성평가를위해기존의신재생에너지경제성분석프로그램을분석한결과, RETScreen, HOMER, Viper, Hybrid2 등이있으며, 이중본연구에서는캐나다 Renewable Energy Decision Support Center 에서개발한 RETScreen 을평가도구로선정하였다. 이프로그램은현재전세계적으로사용되고있으며, 점차적으로사용자가증가추세에있다. 3) 본 RETSCreen 평가도구는마이크로소프사의엑셀에서구동할수있도록되어있으며, 태양광발전량해석및경제성평가를위해표 2와같이 6가지워크시트로구분되며사용자는톱다운방식으로각워크시트상의데이터입력및경제성평가가이루어진다. 일반적으로이러한과정은에너지의사용과비용의관점에서태양광프로젝트설계를최적화할수있는결과를도출할수있도록하기위해수차례반복을시행한다. 3) RETScreen 평가도구는중소규모의가정용독립형시스템으로부터시작하여대규모의일반전력망에연결된계통연계형시스템에이르기까지태양광발전시스템의에너지생산및경제성평가가가능하다. 설 명 값 태양광발전에의한에너지를공급하기 Energy Model 위하여요구되는설비시스템의기술적 특성정보를입력한다. 태양광발전시스템의설치가검토되는 Solar Resource 해당지역의자연자원의특성자료가 & System load 입력되어, 수평면상의월별일사량값을 Calculation (SR 사용하여해당방위와경사진어레이의연간 & SLC) 일사량을계산하게된다. 태양광에너지공급을위해요구되는 Cost Analysis 재무상의모든요소에대한수치를 입력한다. Greenhouse Gas Emission Reduction Analysis (GHC Analysis) Financial Summary Sensitivity & Risk Analysis 표 2. RETSCreen 의입력모듈 온실가스와관련된수치자료를입력하여제안된프로젝트의그린하우스가스완화정도를추정하게된다. 초기투자비, 연간유지보수비및기타재무분석을위한입력요소로서할인율, 프로젝트기간, 물가상승률, 전력판매단가상승률, 발전된전력의판매단가, GHG 배출권거래가, GHG 배출권거래가상승률을입력하면경제관련지표의결과를확인하게해준다. 주요기술적, 재정적변수가재정지표에미치는민감도와위험도분석의결과를제시해준다. 그림 1. RETSCreen 의초기화면 2.3 경제성평가태양광발전시스템의경제성평가를위해서는비용부문과수익부문으로나누어검토가이루어진다. 수익부문은발전하여생산된전력으로인한전기절감, 온실가스저감으로인한수입으로구성되고, 비용부문은시스템구입비용과정기적인설비유지보수등의비용등으로구성된다. Journal of the korean Solar Energy Society Vol. 27, No. 2, 2007 89
김명철외 / 주거용건물의태양광발전시스템투자회수기간산정 경제성을분석하기위한현재가치 (Net Present Value) 의산정은다음식 1 로부터수익부문의총 합에서비용부문의총합을빼어도출한다. 내부수 익률은이현재가치를 0 으로만드는수익률로도출 되어진다. (1) 3. 경제성평가를위한입력자료의선정 3.1 시스템선정 본연구에서는주거용건물의경제성평가를위 해일반전력망에연결된계통연계형시스템을평가하는것으로하였다. 국내의경우주거용건물에서는 2.5 kw p 에서 3 kw p 출력용량의시스템을대부분사용하고있어표 3과같은특성을갖는시스템을대상으로선정하였다. 시스템 태양광모듈 전력제어 태양광어레이 표 3. 평가대상시스템특성 (PV 는 photovoltaics 의미 ) 항목 설정값 태양광모듈타입 poly-si 송전망태양광에너지흡수율 (PV energy absorption rate) 95.0% NOCT (Nominal PV module efficiency) 11.0% 태양광온도상수 (PV temperature coefficient) 0.40%/ 기타태양광어레이손실율 (Miscellaneous PV array losses) 5.0% 태양광어레이파워 (Nominal PV array power) 3.0kWp 태양광시스템설치면적 (PV array area) 27.3m2 평균인버터효율 90% 인버터용량 2.7kW(AC) 기타전력제어손실율 5% 설치경사각 30 설치방위각 0 ( 남향 ) 3.2 기상데이터선정 RETScreen은현재전세계적으로 200여국에보급되어, NASA(National Aeronautics and Space Administration 에서제공하는일사량데이터베이스자료를받아사용할수있으며우리나라의경우강릉, 서울, 대구, 목포, 제주의월별평균일사량값과외기온데이터를제공하고있다. 월 표 4. 대상지역의기상특성입력 수평면상의월별일평균일사량 (kwh/m 2 d) 월별일평균외기온 ( ) 1 1.92-3.4 2 2.72-1.1 3 3.33 4.5 4 4.42 11.8 5 4.81 17.4 6 4.47 21.5 7 3.11 24.6 8 3.78 25.4 9 3.64 20.6 10 3.08 14.3 11 1.94 6.6 12 1.50-0.4 본연구에서는주거용건물이서울지역에위치하는것으로하여표 4와같이월별일사량및외기온데이터를설정하였다. 3.3 경제성분석데이터선정태양광발전시스템의경제성평가를위해요구되는구입및설치비, 정부보조금, 연가유지보수비, 발전된전력의판매단가 4) 및판매단가상승률, 물가상승률, 할인율, 경제성평가기간등, 관련변수들을표 5와같이가정하여선정하였다. 4) 발전된전력판매단가는태양광발전을통해발전한전력을판매할때의단가를말하는것으로, 즉전기료절감비용을의미하며, 본경제성분석데이터에서입력값으로선정한 231 원 /kwh 는월전력사용량을 500kWh 로가정하였을때주택용전력 ( 저압 ) 의요금계산체계에따라부가가치세, 전력기반요금등을포함시켜산정한값이다. 90 한국태양에너지학회논문집 Vol. 27, No. 2, 2007
표 5. 경제성분석데이터입력 항목입력값 태양광발전시스템구입및설치비 25,200,000 원 정부보조금 15,120,000원 연간유지보수비 구입, 설치비용의 0.5% 발전된전력의판매단가 231원 /kwh 발전전력의판매단가상승률 1.1% 물가상승률 3.4% 할인율 6.5% 경제성평가기간 25년 3.4 경제성분석데이터선정 태양광시스템의경제성평가는여러가지지 표 5) 로부터의분석이가능한데, 본연구에서는누 적현금수지가 + 가되는연도를현가에의해파악 하는투자회수기간법 (Year-to-positive cash flow) 법을적용하였다. 4.6%, 단순투자회수기간은 16.1년, 현가로환산한투자회수기간은 15.0년인것으로나타났다. 4.2 민감도분석발전된전력의판매단가및연간발전된전력량, 초기투자비를각각기본안대비 ±40% 의범위내에서 20% 씩변화시킨경우에이변수들이현가로환산한투자회수기간에미치는민감도를분석한결과가표 6이다. 발전된전력의판매단가또는연간발전된전력량이기준안 (231원/kWh, 2,935kWh) 대비 20% 수준오르면현가환산투자회수기간을 12.4년, 40% 수준이면 10.6년으로낮출수있으며, 초기투자비를기준안 (10,080천원 ) 대비 20% 수준낮추면 12.1년, 40% 낮추면 9.2년으로감소시킬수있는것으로나타났다. 4. 경제성분석및평가경제성분석은앞서의표 3, 4, 5에의한입력데이터를기준으로한안 ( 이하, 기준안 ) 을대상으로우선평가를실시하고, 다음으로그기준안에대해초기투자비, 연간발전된전력량, 발전된전력판매단가변수를변화시켰을때, 투자회수기간에미치는영향을민감도분석과위험도분석으로구분하여실시하는순서로진행하였다. 4.1 기본안에대한분석기본안의경우서울지역소재의주거용건물의연간태양광발전시스템발전량은총 2,935kWh (107.5kWh/m 2 ) 이며, 이로인한연간에너지절감비용은 678천원인것으로나타났다. 표 5의분석데이터에따른경제성평가결과, 내부수익률은 연간발전 구 전력량 (MWh ) 초기 투자비 ( 천원 ) 표 6. 현가환산투자회수기간민감도분석결과 분 1.761 (-40%) 2.348 (-20%) 2.936 (0%) 3.522 (20%) 4.109 (40%) 6,350 (-40%) 8,467 (-20%) 10,584 (0%) 12,700 (20%) 14,817 (40%) 0.1386 (-40%) 발전된전력판매단가 ( 천원 ) 0.1848 0.2310 0.2772-20% 0% 20% 25년 25년 이상 이상 0.3234 40% 21.1 17.9 24.0 18.9 15.6 13.3 18.9 15.0 12.4 10.6 21.1 15.6 12.4 10.3 8.8 17.9 13.3 10.6 8.8 7.6 16.0 11.7 9.2 7.6 6.5 20.9 15.3 12.1 10.0 8.6 18.9 15.0 12.4 10.6 22.3 17.7 14.7 12.6 25 년이상 20.4 17.0 14.6 5) 내부수익율법 (Internal Rate of Return) 법, 투자수익율법 (Return on Investment), 누적현금수지가 + 가되는해를파악하는투자회수기간법 (Simple Payback, Year-to-positive cash flow), 현가법 (Net Present Value), 편익비용법 (Benefit-Cost ratio) 등이있다. 4.3 위험도분석위험도분석을위해표 7과같이선정된변수값들이기준안대비 20% 범위내에서변할수있다 Journal of the korean Solar Energy Society Vol. 27, No. 2, 2007 91
김명철외 / 주거용건물의태양광발전시스템투자회수기간산정 는가정하에몬테카를로시뮬레이션 (500 회난수를 발생 ) 을실시한결과그림 2 과같이 90% 신뢰수 준시현가환산투자회수기간은평균 15.0 년, 최대 18.8 년, 최소 12.5 년이걸리는것으로나타났으 며, 95% 의신뢰수준에서는평균 15.0 년, 최대 19.5 년, 최소 12.2 년인것으로나타났다. 변수명단위기준값범위 (+/-) 발전전력판매단가 연간발전전력량 표 7. 변수별검토범위값 천원 / kwh 최소값 그림 2. 몬테카를로시뮬레이션에의한현가로환산한투자회수기간의분포도 최대값 0.231 20% 0.1848 0.2772 MWh 2.935 20% 2.348 3.522 초기투자비천원 10,080 20% 8,064 12,096 5. 결론 국내주거용태양광발전시스템에대한투자회 수기간산정을중심으로경제성평가를실시한결과다음과같은결론을도출하였다. (1) 서울지역소재주거용건물의경우, 제3 장에서가정한관련입력자료값을근거로산정한연간태양광발전시스템의발전총량은 2,935kWh (107.5kWh/m 2 ) 인것으로추정되며, 월전력사용량을 500kWh 로가정한단가 (231원/kWh) 를적용한경우연간에너지절감비용은 678천원 으로나타났다. (2) 경제성평가결과내부수익률은 4.6%, 단순투자회수기간은 16.1년, 현가로환산한투자회수기간은 15.0년인것으로나타났다. (3) 민감도분석결과, 발전된전력의판매단가나또는연간발전된전력량이기준안 (231원 /kwh, 2,935kWh) 대비 20% 수준오르면현가로환산한투자회수기간을 12.4년, 40% 수준이면 10.6년으로낮출수있으며, 초기투자비를기준안 (10,080천원) 대비 20% 수준낮추면 12.1 년, 40% 낮추면 9.2년으로감소시킬수있는것으로나타났다. (4) 경제성평가를위한관련입력자료의불확실성을고려하여표 7과같이초기투자비, 발전된전력의판매단가와연간발전된전력량변수의값들이기준안대비 20% 범위내에서변할수있다는가정하에몬테카를로위험도분석 (500 회의난수를발생 ) 을실시한결과, 90% 신뢰수준시현가환산투자회수기간은평균 15.0년, 최대투자회수기간은 18.8년, 최소투자회수기간은 12.5년이걸리는것으로나타났으며, 95% 의신뢰수준에서는평균 15.0년, 최대 19.5년, 최소 12.2년인것으로나타났다. (5) 본연구에서는전술한초기투자비와연간발전된전력량, 발전된전력판매단가를중심으로경제성평가를실시하였으나, 경제성평가에영향을미칠수있는할인율이나물가상승률, 전력판매단가상승률등관련데이터들이일정하다고가정하여연구를진행하였다. 따라서추후연구에서는이러한관련데이터의변화에따른민감도및위험도분석이이루어져야할것이며, 이외에도연간유지보수비및인버터등내구연한에따른보수교체비, 온실가스저감과관련한경제적이득부분에대한평가도추가하여검토되어야할것이다. 참고문헌 92 한국태양에너지학회논문집 Vol. 27, No. 2, 2007
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